JP4880313B2 - Cylinder type linear actuator - Google Patents
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Description
本発明は、移動子部に永久磁石を有し、固定子部にリング状コイルを有するシリンダ形リニアアクチュエータに関する。 The present invention relates to a cylinder type linear actuator having a permanent magnet in a moving part and a ring coil in a stator part.
この種のシリンダ形リニアアクチュエータとしては、図8に示すような可動磁石式アクチュエータ(特許文献1参照)、および図9に示すような可動磁石式アクチュエータ(特許文献2参照)と、図10に示すようなリニア振動アクチュエータ(特許文献3参照)が提案されている。 As this type of cylinder type linear actuator, a movable magnet type actuator as shown in FIG. 8 (see Patent Document 1), a movable magnet type actuator as shown in FIG. 9 (see Patent Document 2), and FIG. Such a linear vibration actuator (see Patent Document 3) has been proposed.
図8および図9において、上記可動磁石式アクチュエータの移動子100は、軸方向に磁化され互いに同極性の面が対向するように配設された2つの永久磁石102,103と、前記2つの永久磁石102,103間に挟持された移動子鉄心104と、推力を外部に伝達するためのピン101より構成されており、前記ピン101は前記永久磁石103の端面に設けられている。
固定子200は、前記移動子100が、その内側を移動自在に設けられた3連のコイル201,202,203と、前記コイル201,202,203の外周側に設けられた磁性体ヨーク204より構成されている。また、前記3連のコイル201,202,203は極性が交互の極性となるように結線されている。
図8においては、さらに前記3連のコイル201,202,203の両端側に固定側軟磁性体205,206が設けられている。
8 and 9, the
The
In FIG. 8, fixed-side soft
以下に、図8および図9に示された可動磁石式アクチュエータの動作原理を説明する。
上記のように移動子100を構成することにより、前記移動子100には、軸方向にS極、N極、S極と並んだ3極の移動子磁極が形成される。
また3連のコイル201,202,203は前記3つの磁極から発生するラジアル方向磁束と鎖交するように配設されており、コイル201およびコイル203の上側断面図において紙面の表から裏に向かって電流が流れ、コイル202の上側断面図において紙面の裏から表に向かって電流が流れるように通電されると、フレミングの左手の法則に基づく力が発生し、移動子100は右方向に向かう電流推力を発生する。前記とは逆方向に通電するとコイル201,202,203の極性は反転し、移動子100は左方向に向かう電流推力を発生することになる。
前記磁性体ヨーク204は、前記ラジアル方向の磁束密度成分を大きくするためのものである。
その磁束を有効に利用するように3連のコイル201,202,203を配設し、推力の向上と効率の向上を図ったものが図8の可動磁石式アクチュエータである。
The operating principle of the movable magnet actuator shown in FIGS. 8 and 9 will be described below.
By configuring the
The three
The
The movable magnet actuator shown in FIG. 8 has three
特許文献1には、前記永久磁石102,103間に挟持された移動子鉄心104は、2個の永久磁石102,103のみの場合よりも前記ラジアル方向の磁束密度成分を大きくする効果があると記述されている。しかし、前記永久磁石102,103の軸方向長さを変えていないため、前記移動子100のS極間の距離は移動子鉄心104の長さ分長くなっている。したがって固定子200のコイル201,202,203もそれにあわせて位置やコイル幅を変える必要があり、アクチュエータの長さも長くなるため、同一条件での比較とはいえない。移動子100の磁極間距離を変えずに移動子鉄心104を使用した場合には、前記永久磁石102,103の軸方向長さがその分短くなり、磁石102,103の起磁力が低下するため、場合によっては、磁束密度成分は小さくなることもある。
In
図8の場合には、励磁時の推力はストロークの中心(変位量ゼロ)で最大推力となり、両側のストローク端にいくほど推力が小さくなる。そのため負荷が大きくなるとストロークが小さくなってしまい、負荷の大きさが変動するとストロークも変動してしまうという問題点があった。その問題点を解決するために提案されたのが図9の可動磁石式アクチュエータである。
この可動磁石式アクチュエータは、前記3連のコイル201,202,203の両端側に固定側軟磁性体205,206を設けているので、移動子100がそのストローク端へ移動する際に当該固定側軟磁性体205,206に近づくと移動子磁石102,103と前記固定側軟磁性体205,206との間にディテント力(無励磁吸引力)が働き、ストローク端近傍側でのフレミングの左手の法則に基づく推力の低下を補う如く推力が強化され、負荷が増加したときのストロークの減少を少なくすることができ、負荷の変動にともなうストロークの変動も抑えることができる構成となっている。
In the case of FIG. 8, the thrust at the time of excitation becomes the maximum thrust at the center of the stroke (zero displacement), and the thrust becomes smaller toward the stroke ends on both sides. For this reason, when the load increases, the stroke decreases, and when the load varies, the stroke also varies. In order to solve this problem, the movable magnet actuator shown in FIG. 9 has been proposed.
Since this movable magnet type actuator is provided with fixed-side soft
図10に示されたリニア振動アクチュエータの場合には、移動子300は軸方向に往復移動する直動軸301と、互いに対向する面が同極性となるように磁化された永久磁石302、303と、前記永久磁石302、303の軸方向両側に配設された磁性体よりなるインダクタ304、305、306と、前記永久磁石302、303とインダクタ304、305、306を一体に保持し前記直動軸301と結合するためのガイド307を備えている。
また固定子400はリング状励磁コイル401と、前記リング状励磁コイル401の軸方向両側に配設された固定子磁極402、403と、前記固定子磁極402と403を磁気的に結合する固定子ヨーク404とを備えている。
In the case of the linear vibration actuator shown in FIG. 10, the
The
次に、特許文献3のリニア振動アクチュエータの動作原理を説明する。
図10の状態において、移動子300は第1の無励磁安定点にある。このとき固定子磁極402がN極、固定子磁極403がS極になるように励磁コイル401を励磁すると、インダクタ305と固定子磁極403の間には反発力、インダクタ305と固定子磁極402の間には吸引力を発生し、移動子400は左方向に移動する。そして固定子磁極402とインダクタ305が向い合い始めると、インダクタ305に設けられたテーパーの作用により、固定子磁極403とインダクタ306が向い合った第二の無励磁安定点に引き込む無励磁保持力も加わり、移動子300は第二の無励磁安定点に到達して停止する。励磁コイル401に通電する電流の向きを周期的に反転させることにより前記移動子300を往復運動させることができ、リニア振動アクチュエータが構成できる。
In the state shown in FIG. 10, the moving
しかしながら、図8に示す可動磁石型アクチュエータは、フレミングの左手の法則に基づく推力をメインに利用しているため、励磁安定点はストローク端付近にあり、その位置は電流の大きさを変えてもほとんど変化させることはできない。
「両側のストローク端にいくほど推力が小さくなる」というのは、その一方に安定平衡点(安定点)、もう一方に不安定平衡点があるということを意味している。
すなわち電流の大きさを変えても、励磁安定点での推力の傾き(剛性=位置の微小変化に対する推力の変化)のみが変化してしまい、励磁安定点での推力の傾きを変えずに安定点の位置のみを変化させることができないという問題点があった。
However, since the movable magnet type actuator shown in FIG. 8 mainly uses the thrust based on Fleming's left-hand rule, the excitation stable point is near the stroke end, and the position can be changed even if the magnitude of the current is changed. Can hardly be changed.
“Thrust decreases as the stroke ends on both sides” means that there is a stable equilibrium point (stable point) on one side and an unstable equilibrium point on the other side.
In other words, even if the magnitude of the current is changed, only the slope of the thrust at the excitation stable point (rigidity = change in thrust against a slight change in position) changes, and it remains stable without changing the thrust slope at the excitation stable point. There was a problem that only the position of the point could not be changed.
図9の場合には、前記3連のコイル201,202,203の両端側に固定側軟磁性体205,206を設けているので、無励磁安定点がストロークの両端側2箇所に存在し、励磁巻線を励磁することで前記2箇所の無励磁安定点を行き来できるようになっている。途中で止めるということは難しく、移動子100が中心からちょっとでもずれると、そのずれた方向にある無励磁安定点に向かって移動子100を吸引する推力が発生する。すなわち外力により移動子100が中心からちょっとでもずれると、そのずれた方向にある無励磁安定点に移動子100が勝手に移動してしまうという問題点があった。
また図8の場合と同様に励磁安定点はストローク端付近にあるので、電流値を調整して励磁安定点を電流値に依存した量だけ移動させ、負荷を任意の位置に止めるという制御ができないという問題点もあった。
In the case of FIG. 9, since the fixed-side soft
Since the excitation stable point is near the stroke end as in the case of FIG. 8, the current value is adjusted so that the excitation stable point is moved by an amount depending on the current value, and the load cannot be controlled at an arbitrary position. There was also a problem.
また、図10に示すリニア振動アクチュエータも図8のアクチュエータと同様に、無励磁安定点を2箇所もっており、励磁コイル(励磁巻線)401を励磁することで前記2箇所の無励磁安定点を行き来できるようになっている。途中で止めるということは難しく、図8、図9の場合と同様な問題点があった。
また固定子400に固定子磁極402,403を使用しているため、励磁電流を大きくしていくと固定子磁極402,403が飽和し、推力が励磁電流に比例しなくなるという問題もあった。
また固定子磁極402,403先端部の形状やインダクタ305の形状を工夫する必要があり、コストアップの要因となっていた。
Also, the linear vibration actuator shown in FIG. 10 has two non-excitation stable points as in the actuator of FIG. 8, and the two non-excitation stable points are obtained by exciting the excitation coil (excitation winding) 401. You can come and go. It is difficult to stop the operation halfway, and there are problems similar to those shown in FIGS.
Further, since the stator
In addition, it is necessary to devise the shape of the tips of the stator
本発明は、上記課題を解決し、ひとつの励磁巻線の電流値を制御するだけで、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができるシリンダ形リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
また、励磁巻線が1個であるため駆動回路の構成も簡単になり、アクチュエータの構造も簡単でコストアップの問題や固定子磁極の磁気飽和の問題もないシリンダ形リニアアクチュエータを提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned problem, and only controls the current value of one excitation winding, and hardly changes the inclination of the holding force at the excitation stable point, and only depends on the current value of the stable point. It is an object of the present invention to provide a cylinder type linear actuator that can be displaced in a moving manner.
In addition, since there is only one excitation winding, the configuration of the drive circuit is simplified, the actuator structure is simple, and there is provided a cylinder type linear actuator that is free from problems of cost increase and magnetic saturation of the stator poles. Objective.
本発明は、上記課題を解決するため、以下のように構成されている。
軸方向に往復移動可能に設けられた直動軸と、この直動軸に設けられ、移動方向に沿って磁極ピッチτpで複数の移動子磁極を形成するように磁化された永久磁石を少なくとも1個以上備えてなる移動子と、該移動子の軸方向に形成された複数の移動子磁極より発生するラジアル方向の磁束に鎖交するように前記移動子の周囲に配設されたリング状のコイルと、該リング状コイルの外側に設けられた軟磁性材料よりなるヨーク部材とを具備した固定子とを有し、前記移動子の永久磁石と前記ヨーク部材により発生する無励磁保持力は、前記ヨーク部材の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、変位が0.6τp以下の範囲において最大値を発生するとともに、前記リング状コイルを流れる電流に起因する電流推力は、前記無励磁安定点付近で前記最大値よりも小さい最大値を発生するように制御されることにある。
また、本発明は、前記リング状コイルが複数あるときは前記リング状コイルに電流を流したときに同一方向の電流推力を発生するように各リング状コイルを結線して、1つの励磁巻線を形成するようにしたことにある。
さらに、本発明は、前記移動子は、nを1以上の整数とするとき、前記移動方向に磁化されたn個の円筒状の希土類磁石を有して(n+1)個の移動子磁極を形成しており、前記ヨーク部材は前記移動子と軸心を同じくする円筒状であり、前記ヨーク部材の前記移動方向長さLyは、Ly=k・n・τpで表され、前記ヨーク部材の内径Dyは前記希土類磁石の外径をDmとするとき、Dy=j×Dmで表されることにある。
また、本発明は、前記kは、1から1.5の範囲に設定されるとともに、前記jは、1.3から1.7の範囲に設定されていることにある。
さらに、本発明は、前記移動子は、nを2とするとき、前記ヨーク部材は軸方向中央部で、非磁性部材または空間により2つに分割されていることにある。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
A linear motion shaft that is reciprocally movable in the axial direction, and at least one permanent magnet that is provided on the linear motion shaft and is magnetized so as to form a plurality of magnetic poles with a magnetic pole pitch τp along the travel direction. a moving element comprising comprising more pieces, annular arranged around the moving element so interlinked with the radial direction of the magnetic flux generated from the plurality of mover poles formed in the axial direction of the mover A stator having a coil and a yoke member made of a soft magnetic material provided outside the ring-shaped coil , and the non-excited holding force generated by the permanent magnet of the mover and the yoke member is The axial center position of the yoke member is a non-excitation stable point, and a maximum value is generated in the range where the displacement is 0.6τp or less, and the current thrust due to the current flowing through the ring-shaped coil is near the non-excitation stable point. The maximum value It is to be controlled to generate a remote small maximum value.
Further, according to the present invention, when there are a plurality of the ring-shaped coils, each ring-shaped coil is connected so as to generate a current thrust in the same direction when a current is passed through the ring-shaped coil. Is to form.
Further, according to the present invention, the moving element has n cylindrical rare earth magnets magnetized in the moving direction, where n is an integer of 1 or more, and (n + 1) moving element magnetic poles. The yoke member has a cylindrical shape having the same axis as the moving element, and the moving direction length Ly of the yoke member is expressed by Ly = k · n · τp, The inner diameter Dy is expressed by Dy = j × Dm, where Dm is the outer diameter of the rare earth magnet .
In the present invention, the k is set in the range of 1 to 1.5, and the j is set in the range of 1.3 to 1.7.
Furthermore, the present invention lies in that when the moving element n is 2, the yoke member is divided into two at a central portion in the axial direction by a nonmagnetic member or a space.
本発明によれば、前記ヨーク長を最適に設定することにより、ヨーク中心を安定点とする無励磁保持力を発生させることができる。そして前記無励磁安定点と場所を異にする励磁安定点をもち、前記無励磁保持力の最大値よりも小さい最大値をもつ励磁保持力を発生する励磁巻線を設け、前記励磁巻線の電流値を制御することにより、前記無励磁保持力を電流値に対応した量だけ変位させることができる。 According to the present invention, it is possible to generate a non-excitation holding force with the yoke center as a stable point by setting the yoke length optimally. An excitation winding having an excitation stability point that is different from the non-excitation stability point and generating an excitation holding force having a maximum value smaller than the maximum value of the non-excitation holding force is provided. By controlling the current value, the non-excitation holding force can be displaced by an amount corresponding to the current value.
したがって、ひとつの励磁巻線の電流値を制御するだけで、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができる新規のリニアアクチュエータが構成でき、ストロークの範囲内で任意の位置に位置決めすることができる。 Therefore, only by controlling the current value of one excitation winding, it is possible to change only the stable point depending on the current value without changing the inclination of the holding force at the excitation stable point. A linear actuator can be constructed and can be positioned at any position within the stroke range.
また励磁巻線が1個で済むので必要なスイッチング素子の数は4個で済み制御回路も安価に構成できる。また固定子磁極が必要ないので磁気飽和の問題もなく、構造も簡単なのでシリンダ形リニアアクチュエータを安価に構成できる。また励磁巻線に可変周波数の電流を流すことで振動アクチュエータとして動作させることもできる。 Further, since only one exciting winding is required, the number of necessary switching elements is four, and the control circuit can be constructed at low cost. Since no stator magnetic poles are required, there is no problem of magnetic saturation and the structure is simple, so that a cylinder type linear actuator can be constructed at low cost. It can also be operated as a vibration actuator by passing a variable frequency current through the excitation winding.
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図1は本発明の一実施例を示す断面図、図2は本発明の移動子とそれに対応させた永久磁石組立体による磁束密度のラジアル方向成分の軸方向分布波形を示した図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing an axial distribution waveform of a radial component of magnetic flux density by a moving element of the present invention and a permanent magnet assembly corresponding thereto.
図1および図2において、移動子10は、軸方向に往復移動する直動軸11と、図示のように軸方向に磁化された永久磁石12およびこの永久磁石12の両端面に当接されて配設された移動子鉄心14、15よりなる移動子組立体17とを備えている。移動子10は、移動方向に沿って磁極ピッチτpで複数の移動子磁極を形成するように磁化された永久磁石12を少なくとも1個以上備えている。
1 and 2, a moving
通常、前記移動子鉄心14、15は、必要最小限の永久磁石を使いながら目的の磁極間距離を実現するために使用される。移動子鉄心14,15がない場合は、移動子磁極の中心位置は永久磁石12の両端面位置付近となり、移動子鉄心14,15がある場合は移動子鉄心14,15の中央部付近となる。
上記永久磁石組立体17は、その両端に配設された固定リング部材18、19により上記直動軸11に強固に固定されている。そして上記移動子10は、ケース30に内蔵され、互いに所定間隔で対向する一対のブラケット31、32の中心に配設された軸受33、34を介して、軸方向に移動自在に支持されている。
Normally, the
The
一方、固定子20は、前記ケース30の内周面に固定された軟磁性材よりなる円筒状ヨーク(ヨーク部材)21と、この円筒状ヨーク21の内周面側に配設されたリング状コイル22、23で構成されている。前記円筒状ヨーク21の軸方向長さは、移動子10に対し前記円筒状ヨーク21の軸方向中心位置を無励磁安定点とする適切な無励磁保持力を発生するように通常は、移動子10の磁極間距離よりも若干長めに設定されている。
すなわち、前記永久磁石12の軸方向長さをLm、前記移動子鉄心14,15の軸方向長さをLaとするとき、前記ヨーク部材21の軸方向長さLyは、Ly=k(Lm+La)で表され、前記定数kは1から1.5の範囲に設定される。なお、前記移動子鉄心14,15がない場合は、Ly=k・Lmとなる。
またリング状コイル22、23は前記移動子10が前記無励磁安定点にあるときの移動子磁極とほぼ対向する位置に配設されており、通電したときに互いに極性が逆になるように結線されている。
On the other hand, the
That is, when the axial length of the
The ring-shaped
前記移動子10は、nを1以上の整数とするとき、前記移動方向に磁化されたn個の円筒状の希土類磁石を有して(n+1)個の移動子磁極を形成している。前記円筒状ヨーク21は前記移動子10と軸心を同じくする円筒状であり、前記円筒状ヨーク21の前記移動方向長さLyはLy=k・n・τpで表され、前記kは、1から1.5の範囲に設定されるとともに、前記円筒状ヨーク21の内径Dyは前記希土類磁石の外径をDmとするとき、Dy=j×Dmで表され、前記jは、1.3から1.7の範囲に設定されている。
The moving
次に上記実施の形態の作用を説明する。
励磁巻線の電流に起因する励磁時保持力の励磁安定点は前記リング状コイル22、23の中心位置よりも若干外側になり、前記無励磁安定点とは異なった位置に発生する。
これは無励磁保持力と励磁保持力のベクトルがある角度をもっているということであり、2つのベクトルの合成ベクトルは前記励磁保持力のベクトルの大きさにより角度が変化することを意味している。前記移動子10の永久磁石12と前記円筒状ヨーク21により発生する無励磁保持力は、前記円筒状ヨーク21の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、変位が0.6τp以下の範囲において最大値を発生するとともに、前記リング状コイル22,23を流れる電流に起因する電流推力は、前記無励磁安定点付近で前記最大値よりも小さい最大値を発生するように制御される。
Next, the operation of the above embodiment will be described.
The excitation stable point of the holding force during excitation caused by the current of the excitation winding is slightly outside the center position of the ring coils 22 and 23, and is generated at a position different from the non-excitation stable point.
This means that the vectors of the non-excitation holding force and the excitation holding force have a certain angle, and the combined vector of the two vectors means that the angle changes depending on the magnitude of the excitation holding force vector. The non-excitation holding force generated by the
図6に無励磁保持力と励磁時の保持力の関係を示す。
前記円筒状ヨーク21の長さを適切に設定することにより、電流起因保持力の最大値よりも大きな最大値をもち、ヨーク中央を安定点とする無励磁保持力が図のように発生する。
値がプラスの場合にはプラス方向の推力、マイナスの場合にはマイナス方向の推力が働くことを意味している。したがって、前記保持力カーブのゼロクロスポイントでの傾きが負である点が安定平衡点(安定点)であり、正である点は不安定平衡点であることを意味している。
FIG. 6 shows the relationship between the non-excitation holding force and the holding force during excitation.
By appropriately setting the length of the
When the value is positive, it means that the thrust in the positive direction works, and when it is negative, the thrust in the negative direction works. Therefore, a point where the slope of the holding force curve at the zero cross point is negative is a stable equilibrium point (stable point), and a positive point means an unstable equilibrium point.
ここでリング状コイル22の上側断面図において紙面の裏から表に向かって電流が流れ、リング状コイル23の上側断面図においては紙面の表から裏に向かって電流が流れるように通電すると、そのときの電流起因の保持力は電流起因保持力Aのようになる。
そのときの励磁安定点は図の右側のゼロクロスポイントである。
その結果、通電時の合成された保持力は合成保持力Aとなり、無励磁保持力が右側にシフトしたような波形となる。
Here, in the upper cross-sectional view of the ring-shaped
The excitation stable point at that time is the zero cross point on the right side of the figure.
As a result, the combined holding force when energized is the combined holding force A, and the non-excited holding force has a waveform shifted to the right.
前記と逆方向に通電した場合には、電流起因の保持力は電流起因保持力Bのようになり、その結果、通電時の合成された保持力は合成保持力Bとなり、無励磁保持力が左側にシフトしたような波形となる。
前記2つの電流値の間に電流値を設定した場合には、合成保持力は当然合成保持力Aと合成保持力Bの間にくることになる。
これから、励磁巻線の電流値のみを制御することにより、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができることが分かる。
When energized in the opposite direction, the current-induced holding force becomes the current-induced holding force B. As a result, the combined holding force at the time of energization becomes the combined holding force B, and the non-excited holding force is The waveform is shifted to the left.
When a current value is set between the two current values, the combined holding force is naturally between the combined holding force A and the combined holding force B.
From this, it can be seen that by controlling only the current value of the excitation winding, only the stable point can be displaced depending on the current value without changing the inclination of the holding force at the excitation stable point.
前記移動子10の永久磁石12と円筒状ヨーク21により発生する無励磁保持力の大きさおよび波形状は、移動子10の寸法や円筒状ヨーク21の寸法、さらに永久磁石12の材質などにより決まってくる。
前記課題を解決するためには無励磁保持力の励磁安定点での傾き、すなわち剛性が高くなるようにするとともに、電流に起因する電流推力が前記無励磁安定点付近で無励磁保持力の最大値よりも小さい最大値を発生するように前記コイル22,23を配置すると共に、電流値を制御する必要がある。
さらに前記無励磁保持力の周期を前記電流推力の周期よりも短くする必要がある。
The magnitude and wave shape of the non-excitation holding force generated by the
In order to solve the above problem, the inclination of the non-excitation holding force at the excitation stable point, that is, the rigidity is increased, and the current thrust caused by the current is the maximum of the non-excitation holding force near the non-excitation stable point. It is necessary to arrange the
Furthermore, it is necessary to make the cycle of the non-excitation holding force shorter than the cycle of the current thrust.
図6はその様子を示したものであり、許容損失より決まる連続定格電流を流したときの電流推力の最大値は前記無励磁安定点にて前記無励磁保持力の最大値の40%弱に設定されている。 FIG. 6 shows this state, and the maximum value of the current thrust when a continuous rated current determined by the allowable loss is applied is less than 40% of the maximum value of the non-excitation holding force at the non-excitation stable point. Is set.
また、前記電流推力がゼロとなる変位は0.6τp付近となっており、これは前記電流推力波形を余弦波と仮定した場合の90度に相当するので、これから前記電流推力の一周期(360度)は2.4τpといえる。また無励磁保持力は、図7においてk=1.3とした場合であり、前記無励磁保持力の最大値を発生する変位は0.4τpとなっている。 The displacement at which the current thrust becomes zero is around 0.6τp, which corresponds to 90 degrees when the current thrust waveform is assumed to be a cosine wave. Degree) is 2.4τp. The non-excitation holding force is the case where k = 1.3 in FIG. 7, and the displacement for generating the maximum value of the non-excitation holding force is 0.4τp.
したがって、この場合の前記一周期は1.6τpであり、前記電流推力の図7から無励磁保持力は円筒状ヨーク21の軸方向中心位置(図7の原点)を無励磁安定点としておりLy(=k・τp)を変化させることにより最大値を発生する変位を変化させることができることが分かる。ここで移動子の磁極ピッチτpは30mmである。最大値を発生する変位が大きすぎると無励磁保持力の前記安定点での傾き(剛性)が小さくなってしまい、位置決め用途には不向きとなるため、前記最大値を発生する変位は0.6τp以下の範囲が好ましく、本実施例では0.4τpに設定している。 Therefore, the one period in this case is 1.6τp, and the non-exciting holding force from FIG. 7 of the current thrust is the non-excited stable point at the axial center position of the cylindrical yoke 21 (the origin in FIG. 7). (= k · τp) it can be seen that it is possible to vary the displacement for generating a maximum value by varying the. Here, the magnetic pole pitch τp of the mover is 30 mm. If the displacement that generates the maximum value is too large, the slope (rigidity) of the non-exciting holding force at the stable point becomes small and unsuitable for positioning applications. Therefore, the displacement that generates the maximum value is 0.6τp. the following range of good or properly, in the present embodiment is set to 0.4Taupi.
図7からkの値を1.5以下に設定すれば、前記変位を0.6τp以下にできることが分かる。ただし、kが1より小さくなると無励磁保持力の最大値も小さくなってしまうため、kの範囲としては1から1.5の範囲が最適値といえる。 It can be seen from FIG. 7 that if the value of k is set to 1.5 or less, the displacement can be made 0.6τp or less. However, when k is less than 1, the maximum value of the non-excitation holding force is also reduced, so that the range of 1 to 1.5 can be said to be the optimum value for k.
次に、図3、図4、図5は本発明の他の実施の形態を示したもので、図1と同一部分は同符号を付して同一部分の説明は省略して説明する。
図3および図4は、互いに同極性の面が対向するように配置された2個の永久磁石を備えた移動子を有するシリンダ形リニアアクチュエータの例である。
Next, FIGS. 3, 4 and 5 show other embodiments of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description of the same parts will be omitted.
FIG. 3 and FIG. 4 are examples of a cylinder-type linear actuator having a moving element having two permanent magnets arranged so that surfaces having the same polarity face each other.
図3および図4において、移動子10は互いに同極性の面が対向するように配置された2個の永久磁石12、13と前記永久磁石12、13の外側端面に当接され軸方向長さがLaである移動子鉄心14、16と前記2個の永久磁石12、13の間に挟持され軸方向長さがLbである移動子鉄心15とを備えている。移動子鉄心14,15,16の役割は前述の通りであり、全く使用しなくても良いし、移動子鉄心15のみを使用しても良い。
3 and 4, the moving
固定子20は前記ケース30に固定された軟磁性材よりなる円筒状ヨーク21とリング状コイル22、23、24で構成されている。アクチュエータの軸方向長さを短くするためにリング状コイル23のみを使用する構成としてももちろん問題ない。
前記円筒状ヨーク21の軸方向長さは、移動子に対し前記円筒状ヨーク21の軸方向中心位置を無励磁安定点とする適切な無励磁保持力を発生するように通常は移動子10の両端の磁極間距離よりも若干長めに設定される。すなわち図5に示すように前記永久磁石12、13の軸方向長さをLm、永久磁石組立体17の両端側に位置する前記移動子鉄心14,16の軸方向の長さをLa、前記永久磁石12、13相互間に位置する移動子鉄心15の軸方向の長さをLbとするとき、前記ヨーク部材の軸方向長さLyは、Ly=k(2Lm+La+Lb)で表され、前記定数kは1から1.5の範囲に設定される。
なお、この場合も前記両端側の移動子鉄心14,16がない場合は、Ly=k(2Lm+Lb)となる。
The
The length of the
In this case as well, if there are no
また、リング状コイル22、23、24は前記移動子10が前記無励磁安定点にあるときの移動子磁極とラジアル方向、すなわち半径方向にほぼ対向する位置に配設されており、通電したときに互いに極性が逆になるように結線されている。
励磁巻線の電流に起因する励磁時保持力の励磁安定点は前記移動子10が無励磁安定点にあるときの移動子磁極の反転ポイント付近、すなわち前記無励磁安定点とは異なった位置に発生する。
これは無励磁保持力と励磁保持力のベクトルがある角度をもっているということであり、2つのベクトルの合成ベクトルは前記励磁保持力のベクトルの大きさにより角度が変化することを意味している。
Further, the ring-shaped
The excitation stable point of the holding force at the time of excitation caused by the current of the excitation winding is near the reversal point of the magnetic pole of the slider when the
This means that the vectors of the non-excitation holding force and the excitation holding force have a certain angle, and the combined vector of the two vectors means that the angle changes depending on the magnitude of the excitation holding force vector.
図3の場合の無励磁保持力は前記移動子10の両端側の磁極の磁束に依存しており、移動子10中央部の磁極の磁束には依存していない。そのため無励磁保持力は永久磁石1個で構成した図1の場合とほとんど同じ値となる。しかしリング状コイル23による電流起因保持力は移動子10の中央部の磁極の磁束に依存するため、図1の場合より大きな保持力を発生できる。その結果、合成保持力のシフト量は、図1の場合より大きくすることができるという特徴がある。
The non-excitation holding force in the case of FIG. 3 depends on the magnetic flux of the magnetic poles at both ends of the moving
図4の実施の形態は、図3の実施の形態のヨーク21の変形例で、ヨーク21の軸方向中央部で非磁性部材または空隙25により2つに分割したものである。こうすることにより移動子10中央部の磁極の磁束も無励磁保持力に関与するようになり、図3の場合より無励磁保持力を大きくすることができる。その他は、図3と同一の構成である。
The embodiment of FIG. 4 is a modification of the
上記実施の形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
前記円筒状ヨーク21の長さを最適に設定することにより、円筒状ヨーク21の中心を安定点とする無励磁保持力を発生させることができる。そして前記無励磁安定点と場所を異にする励磁安定点をもち、前記無励磁保持力の最大値よりも小さい最大値をもつ励磁保持力を発生する励磁巻線として2個或いは3個のリング状コイル22,23,24を設け、前記励磁巻線の電流値を制御することにより、前記無励磁保持力を電流値に対応した量だけ変位させることができる。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
By setting the length of the
したがって、ひとつの励磁巻線の電流値を制御するだけで、保持力の励磁安定点での傾きをほとんど変化させずに、前記安定点のみを電流値に依存して変位させることができる新規のリニアアクチュエータが構成でき、ストロークの範囲内で任意の位置に位置決めすることができる。 Therefore, only by controlling the current value of one excitation winding, it is possible to change only the stable point depending on the current value without changing the inclination of the holding force at the excitation stable point. A linear actuator can be constructed and can be positioned at any position within the stroke range.
また、励磁巻線が1個で済むので必要なスイッチング素子の数は4個で済み制御回路も安価に構成できる。また固定子磁極が必要ないので磁気飽和の問題もなく、構造も簡単なのでシリンダ形リニアアクチュエータを安価に構成できる。また励磁巻線に可変周波数の電流を流すことで振動アクチュエータとして動作させることもできる。 Further, since only one excitation winding is required, the number of necessary switching elements is four and the control circuit can be configured at low cost. Since no stator magnetic poles are required, there is no problem of magnetic saturation and the structure is simple, so that a cylinder type linear actuator can be constructed at low cost. It can also be operated as a vibration actuator by passing a variable frequency current through the excitation winding.
なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、上記実施の形態では、移動子組立体17を構成する永久磁石が1個の場合は2個のリング状コイル22,23、永久磁石が2個の場合は3個のリング状コイル22,23,24を用いたが、例えば、永久磁石が4個の場合には5個のリング状コイルを用いて移動子組立体を構成することもできる。また、円筒状ヨーク21も永久磁石の数に応じて複数に分割して用いることができる。等、その他本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることができる。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment. In the above-described embodiment, when the number of permanent magnets constituting the
10 移動子
11 直動軸
12,13 永久磁石
14,15,16 移動子鉄心
17 移動子組立体
18,19 固定リング部材
20 固定子
21 円筒状ヨーク
22,23,24 リング状コイル
30 ケース
31、32 ブラケット
DESCRIPTION OF
Claims (5)
移動方向に沿って磁極ピッチτpで複数の移動子磁極を形成するように磁化された永久磁石を少なくとも1個以上備えてなる移動子と、
該移動子の軸方向に形成された複数の移動子磁極より発生するラジアル方向の磁束に鎖交するように前記移動子の周囲に配設されたリング状のコイルと、
該リング状コイルの外側に設けられた軟磁性材料よりなるヨーク部材とを具備した固定子とを有し、前記移動子の永久磁石と前記ヨーク部材により発生する無励磁保持力は、前記ヨーク部材の軸方向中心位置を無励磁安定点とし、変位が0.6τp以下の範囲において最大値を発生するとともに、前記リング状コイルを流れる電流に起因する電流推力は、前記無励磁安定点付近で前記最大値よりも小さい最大値を発生するように制御されることを特徴とするシリンダ形リニアアクチュエータ。 A linear motion shaft provided so as to be capable of reciprocating in the axial direction, and provided on the linear motion shaft,
A moving element comprising a magnetized permanent magnet so as to form a plurality of moving element pole comprises at least one or more magnetic pole pitch τp along the movement direction,
A ring-shaped coil disposed around the slider so as to interlink with a radial magnetic flux generated from a plurality of slider magnetic poles formed in the axial direction of the slider;
A stator having a yoke member made of a soft magnetic material provided on the outside of the ring-shaped coil, and the non-exciting holding force generated by the permanent magnet of the mover and the yoke member is the yoke member Is the non-excitation stable point, the maximum value is generated in the range where the displacement is 0.6τp or less, and the current thrust due to the current flowing through the ring coil is the maximum near the non-excitation stable point. A cylinder-type linear actuator controlled to generate a maximum value smaller than the value .
前記ヨーク部材の内径Dyは前記希土類磁石の外径をDmとするとき、Dy=j×Dmで表されることを特徴とする請求項1または2に記載のシリンダ形リニアアクチュエータ。 The moving element has n cylindrical rare earth magnets magnetized in the moving direction to form (n + 1) moving element magnetic poles, where n is an integer of 1 or more, The yoke member has a cylindrical shape having the same axis as the moving element, and the moving direction length Ly of the yoke member is expressed by Ly = k · n · τp,
3. The cylinder type linear actuator according to claim 1, wherein an inner diameter Dy of the yoke member is expressed by Dy = j × Dm, where Dm is an outer diameter of the rare earth magnet .
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